CN212485794U - 增益开关半导体激光器种子源驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种增益开关半导体激光器种子源驱动电路，包括恒流源电路、电流采样电路、开关信号电路和阴极偏置电路，其中，恒流源电路，用于为半导体激光器种子源提供工作电源；电流采样电路，用于采集流过半导体激光器种子源的电流；开关信号电路，用于提供控制半导体激光器种子源信号发送的开关信号；阴极偏置电路，用于使半导体激光器种子源工作在临界状态，使其内部发生驰豫振荡。通过脉冲驱动的方法实现对增益开关半导体种子的驱动，通过调整驱动电信号的宽度、重复频率来调整光脉冲的宽度和重复频率，简化了电路，便于集成在小型化的皮秒脉冲激光***中，同时激光脉宽、重复频率控制简单。

Description

增益开关半导体激光器种子源驱动电路

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及一种增益开关半导体激光器种子源驱动电路。

背景技术

近些年，脉冲激光技术尤其是超短脉冲激光技术发展迅速，高峰值功率的超短脉冲激光在非线性光学、光信息处理、医疗和激光雷达等众多领域中应用广泛。常见的短脉冲激光产生方法有锁模技术、调Q技术和增益开关技术等，利用这些技术可以产生不同重复频率、不同脉宽、不同峰值功率的脉冲激光输出。相比于调Q和锁模技术，原理相对简单的增益开关技术有若干明显优势，尤其是增益开关半导体激光器。增益开关半导体激光器是指电流脉冲或高频正弦电流直接调制半导体激光器。当注入电流低于阈值时，增益关闭，不发射激光；注入电流高于阈值时，增益打开，激光器驰豫振荡产生的第一个尖峰通常功率很高而且脉宽很窄。若果使用窄脉宽或者高重频电流脉冲，容易得到十到百皮秒的稳定激光输出。通过进一步的消啁啾和脉冲压缩措施可以实现皮秒到亚皮秒的输出。

现有的完整的增益开关半导体激光***的驱动电路部分，用一定频率的正弦信号来调制半导体，同时给二极管一个直流偏置（其电流值低于发光阈值，防止出现连续发光的情况），使半导体产生增益开关效应，信号的幅值、直流偏置、调制深度直接影响着输出的光信号。

电路结构如图1所示，驱动信号的频率达到1Ghz，bias tee上的电流设定在半导体种子的阈值之下。产生超短电脉冲的常用方法是梳状信号发生器、皮秒光电导开关、雪崩晶体管发生器或RF正弦波发生器。对于一个给定的驱动脉冲幅值，对应的有一个最佳的直流偏置来使FWHM最窄。

现有技术的缺点：

1、信号源发出的正弦信号功率较小，需要通过一个带宽和增益合适的射频放大器进行放大，增加输出功率。偏置电流低时，脉宽较宽。偏置电流增大、脉宽变窄。但继续增加，光脉冲会有拖尾。

2、正弦信号的频率控制着脉宽，高频信号源的发生需采用数字频率合成（DDS）或者专用芯片来实现任意频率的发生，脉宽控制复杂，不利于连续变化。

3、电路复杂，需要Bias-tee将高频信号与直流偏置进行耦合。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种增益开关半导体激光器种子源驱动电路，通过脉冲驱动的方法实现对增益开关半导体种子的驱动，通过调整驱动电信号的宽度、重复频率来调整光脉冲的宽度和重复频率，且不需要射频信号发生器、放大器和bias-tee等复杂电路结构，实现数十到百皮秒的激光信号发生。

本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种增益开关半导体激光器种子源驱动电路，包括恒流源电路、电流采样电路、开关信号电路和阴极偏置电路，其中，

恒流源电路，用于为半导体激光器种子源提供工作电源；

电流采样电路，用于采集流过半导体激光器种子源的电流；电流采样电路采用采样R1实现，

开关信号电路，用于提供控制半导体激光器种子源信号发送的开关信号；

阴极偏置电路，用于使半导体激光器种子源工作在临界振荡状态，当外部有一个激励电流时，其内部将发生驰豫振荡。

进一步，所述恒流源电路包括依次连接的恒流源电流设定电路、驱动能力放大电路和恒流源器件，所述恒流源电流设定电路用于设定恒流源电源的大小，所述驱动能力放大电路用于提高驱动能力，所述恒流源器件连接至半导体激光器种子源的阳极LASER+。

具体的，所述恒流源电流设定电路采用可调电阻分压或利用DAC来实现，所述驱动能力放大电路采用运算放大器来实现，所述恒流源器件采用晶体管Q1，晶体管Q1工作在恒流模式下作为一个恒流源接到半导体激光器种子源的阳极LASER+。

进一步，所述开关信号电路包括外部时钟信号输入电路、两路参考电压电路、两个高速比较器A和B、D触发器和开关器件，外部时钟信号输入电路与两个高速比较器A和B的正向输入端连接，两路参考电压电路分别与两个高速比较器A和B的反向输入端连接，高速比较器A和B的输出端连接至D触发器的输入端，D触发器的输出端连接至开关器件。

外部时钟信号输入电路将外部重复频率信号输入到两个高速比较器A和B的正向输入端，两路参考电压电路输出两路参考电压信号，其中，一路参考电压信号输入到高速比较器A的反向输入端，另一路参考电压信号输入到高速比较器B的反向输入端，外部重复频率信号分别通过高速比较器A和B与两路参考电压信号进行比较，输出两路具有一定延迟的输出信号，接着通过后级D触发器来获取这两个延迟之间的窄脉冲从而产生ns级脉宽的电信号，作为开关信号提供到开关器件。

进一步，为了防止输入信号的电平高于比较器的输入容限，导致损坏，还包括容限保护电路，所述容限保护电路设置在外部时钟信号输入电路与两个高速比较器A和B的正向输入端之间。在实际使用中，不用也可以，可以直接把时钟信号接到比较器上。

具体的，所述开关器件采用MOS管Q2，MOS管Q2工作在开关状态下，当MOS管Q2的开关信号为高电平时，恒流源器件的电流流过MOS管Q2，当MOS管Q2的开关信号为低电平时，恒流源器件的电流流过半导体激光器种子源。

具体的，所述阴极偏置电路包括三极管Q4和运算放大器U4，所述三极管Q4工作在恒流区，构成一个基极电流控制的恒流源，所述运算放大器U4产生一个能够设定的偏置电压，使得半导体激光器种子源工作在临界状态，运算放大器U4的输出连接至半导体激光器种子源的阴极LASER-。

进一步，为了在调试中观察阳极的电压波形，还包括阳极电压检测电路，所述阳极电压检测电路包括连接器J1和电阻R3，半导体激光器种子源的阳极LASER+经过电阻R3连接至连接器J1，在调试中，用来检测半导体激光器种子源阳极上的电压信号。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种增益开关半导体激光器种子源驱动电路，通过脉冲驱动的方法实现对增益开关半导体种子的驱动，通过调整驱动电信号的宽度、重复频率来调整光脉冲的宽度和重复频率，简化了电路，便于集成在小型化的皮秒脉冲激光***中，同时激光脉宽、重复频率控制简单。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是现有技术中增益开关半导体激光***的驱动电路的原理框图。

图2是本实用新型益开关半导体激光器种子源驱动电路的原理框图。

图3是半导体激光器种子源的驱动电路原理图。

图4是ns级脉宽的电信号发生电路。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图2所示，本实用新型的一种增益开关半导体激光器种子源驱动电路，包括恒流源电路、电流采样电路、开关信号电路和阴极偏置电路，其中，恒流源电路，用于为半导体激光器种子源提供工作电源；电流采样电路，用于采集流过半导体激光器种子源的电流；开关信号电路，用于提供控制半导体激光器种子源信号发送的开关信号；阴极偏置电路，用于使半导体种子工作在临界振荡状态，当外部有一个激励电流时候，其内部将发生驰豫振荡。

下面对各部分电路结构进行详细的介绍。

如图3所示，恒流源电路包括依次连接的恒流源电流设定电路、驱动能力放大电路和恒流源器件。其中，恒流源电流设定电路用于对恒流源电流进行设定，其设定可以通过可调电阻分压或利用DAC来实现；本实施例中恒流源电流设定电路采用可调电阻分压，包括电阻R10、R11、R12、R13和R14，电容C10和三极管Q3，其中，电阻R11为可调电阻，电阻13和可调电阻R11串联后连接在3.3V电源和地之间，可调电阻R11的滑动端传接电阻R12后连接至三极管Q3的集电极，同时，三极管Q3的集电极还与电阻R14串接，作为电压信号DAC2的输入端，并且电压信号DAC2电压越大，恒流源电流也会越大；三极管Q3的基极串接电阻R10后连接至+2.5V电源，+2.5V电源经电容C10连接至地，三极管Q3的发射极接地；通过调整可调电阻R11的滑动端的位置可以改变输入到后级的电压大小，从而实现电流的设定。驱动能力放大电路采用运算放大器来实现，本实施例中采用两级运算放大器，包括运放U1和U2，三级管Q6，电阻R7、R8和R9，电容C4、C5、C6、C7、C8和C9，运放U1的正向输入端+IN连接至三极管Q3的集电极，同时运放U2的正向输入端+IN连接电容C9后接地，运放U2的反向输入端-IN串接电阻R8后接地，运放U2的输出端OUT串接电阻R7后连接至三极管Q6的基极，三极管Q6的发射极连接至运放U2的反向输入端-IN，三极管Q6的集电极串接电阻R9后连接至+5.0V电源，运放U2的+5.0V电源端连接电容C6进行滤波；三极管Q6的集电极与电阻R9的公共引出端连接至运放U1的正向输入端+IN，作为后级运放U1的一路输入信号，运放U1的反向输入端-IN经电容C5后连接至运放U1的输出端OUT，电容C4和C7分别用于运放U1正负电源输入端的滤波。恒流源器件采用晶体管Q1，晶体管Q1工作在恒流模式下作为一个恒流源接到半导体激光器种子源的阳极LASER+，运放U1的输出端OUT串接电阻R6后连接至晶体管Q1的基极，晶体管Q1的集电极依次串接电阻R2和电感L1的并联电路以及电阻R4后连接至半导体激光器种子源的阳极LASER+。

电流采样电路包括电阻R1和R5，电阻R1作为采样电阻，电阻R1和R5串联，电阻R1的另一端连接至+5.0V电源，电阻R5的另一端连接至运放U1的反向输入端-IN，电阻R1和R5的公共引出端连接至晶体管Q1的发射极，采样电阻R1的两端分别引出TP1和TP2作为电流测量端，用于在调试中检测设定的电流值。

还包括阳极电压检测电路，所述阳极电压检测电路包括连接器J1和电阻R3，半导体激光器种子源的阳极LASER+经过电阻R3连接至连接器J1，在调试中，用来检测半导体激光器种子源阳极上的电压信号，连接器J1优选采用SMA/SMB连接器。

开关信号电路包括ns级脉宽的电信号发生电路和开关器件，其中，开关器件采用MOS管Q2，MOS管Q2工作在开关状态下，当MOS管Q2的开关信号为高电平时，恒流源器件的电流流过MOS管Q2，当MOS管Q2的开关信号为低电平时，恒流源器件的电流流过半导体激光器种子源；本实施例中具体包括MOS管Q2，电容C11和C12，电阻R15和R16，ns级脉宽的电信号发生电路产生的开关信号S3经电容C11和电阻R16后连接至MOS管Q2的栅极g，MOS管Q2的漏极d连接至半导体激光器种子源的阳极LASER+，MOS管Q2的源极S接地。

ns级脉宽的电信号发生电路如图4所示，包括外部时钟信号输入电路、两路参考电压电路、两个高速比较器A和B、D触发器和开关器件，为了防止输入信号的电平高于比较器的输入容限，导致损坏，还包括容限保护电路，容限保护电路设置在外部时钟信号输入电路与两个高速比较器A和B的正向输入端之间，在实际使用中，容限保护电路不用也可以，可以直接把外部时钟信号接到比较器上。

本实施例中，外部时钟信号输入电路包括连接器J2、电阻R32和R33，连接器J2为外部时钟信号的输入端，电阻R32是终端阻抗匹配，并联在连接器J2的输出端和地之间，通过连接器J2输入的外部时钟信号经过电阻R33输入到容限保护电路，连接器J2优选采用SMA/SMB连接器。

容限保护电路包括运放U9，二极管D5，三极管Q7，电阻R34、R35、R36、R40、R41、R42和R43，电容C18和C20，以及两路输入信号端IN+和IN-，其中，U9是一个差分转单端的电路，IN+和IN-是它的输入端，差分输入的时钟信号可以变成单端时钟信号。电阻R36并联在两路输入信号端IN+和IN-之间，输入信号端IN+串联电阻R34后连接至运放U9的正向输入端，输入信号端IN+与电阻R34的公共引出端连接电阻R33，作为外部时钟信号输入到运放U9的正向输入端；输入信号端IN-串联电阻R35连接至运放U9的反向输入端，电容C20连接在运放U9的反向输入端与地之间，运放U9的反向输入端还串接电阻R43后连接至信号端S1，信号端S1是U9的一个偏置电压；运放U9的输出端连接二极管D5的阴极，二极管D5的阳极与三极管Q7的集电极连接，三极管Q7的发射极串接电阻R42后连接至+5V电源，三极管Q7的基极经电阻R41和R40后接地，二极管D5与三极管Q7的公共引出端作为后级两路高速比较器A和B的正向输入信号。

两路参考电压电路用于输入两路参考电压，其中一路参考电压为1V左右，可以采用任意能够提供1V电压的器件实现，通过信号端S2输入到高速比较器A反向输入端；另一路参考电压采用外部输入参考电压，可以通过可调电阻手动调整，或通过DAC进行软件控制。本实施例中采用可调电阻实现，具体包括运放U8，电阻R27、R28、R29和R30，电容C16、C17、C19、C21、C22、C23和C24，其中，电阻R28为可调电阻，可调电阻R28串联在3.3V电源和地之间，并且可调电阻R28的滑动端串接电阻R27后连接至运放U8的反向输入端，外部信号DAC3经电阻R30连接至运放U8的反向输入端，电容C19连接在运放U8的反向输入端和地之间；电容C16和C17分别连接在运放U8的正负两电源端上用于滤波。运放U8的输出端经电阻R29后连接至高速比较器B反向输入端；C21、C22、C23和C24均作滤波电容，具体连接参见图4。

本实施例中外部时钟信号作为比较器A和比较器B的正输入，分别与可调参考电压，以及S2对应的1V参考电压作比较，这两个比较器的输出信号会有一定的延迟，接着通过D触发器来获取这两个延迟之间的窄脉冲。

图3中还包括阴极偏置电路，所述阴极偏置电路包括三极管Q4和运算放大器U4，所述三极管Q4工作在恒流区，构成一个基极电流控制的恒流源，所述运算放大器U4产生一个能够设定的偏置电压，使得半导体激光器种子源工作在临界状态，运算放大器U4的输出连接至半导体激光器种子源的阴极LASER-。

图3中还有TP3和TP4，TP5和TP6，多组测试点，这些测试点只是在调试中用于测试，在本专利中不做论述。

工作原理：

整个驱动电路采用超短电脉冲发生电路以及偏置激励的驱动电路结构。其中，晶体管Q1工作在恒流模式作为一个恒流源，接到半导体种子的阳极。

MOS管Q2工作在开关状态，当Q2的开关信号为高电平时，恒流源的电流流过Q2，当Q2开关信号为低电平时，恒流源的电流流过半导体激光器种子源。

恒流源电流的设定通过可调电阻分压或利用DAC来设定，并利用运放提高驱动能力，用于驱动晶体管Q1。采样电阻R1，采样流过半导体激光器种子的电流，构成负反馈，稳定电流。

Q2的开关驱动信号脉宽在1ns左右，这里利用高速比较器内部的延迟来形成两个具有一定延迟的信号，进入后极D触发器后，形成ns级的电脉宽。

外部重复频率信号通过连接器J2进入高速比较器，使得最终的脉冲信号具有相同的重复频率。

流过半导体激光器种子源的电流具有设定的脉宽和重复频率，最后在增益开关的作用机制下，产生百皮秒的激光脉冲信号。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：包括恒流源电路、电流采样电路、开关信号电路和阴极偏置电路，其中，恒流源电路，用于为半导体激光器种子源提供工作电源；电流采样电路，用于采集流过半导体激光器种子源的电流；开关信号电路，用于提供控制半导体激光器种子源信号发送的开关信号；阴极偏置电路，用于使半导体激光器种子源工作在临界振荡状态，当外部有一个激励电流时，其内部将发生驰豫振荡。

2.如权利要求1所述的增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：所述恒流源电路包括依次连接的恒流源电流设定电路、驱动能力放大电路和恒流源器件，所述恒流源电流设定电路用于设定恒流源电源的大小，所述驱动能力放大电路用于提高驱动能力，所述恒流源器件连接至半导体激光器种子源的阳极LASER+。

3.如权利要求2所述的增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：所述恒流源电流设定电路采用可调电阻分压或利用DAC来实现，所述驱动能力放大电路采用运算放大器来实现，所述恒流源器件采用晶体管Q1，晶体管Q1工作在恒流模式下作为一个恒流源接到半导体激光器种子源的阳极LASER+。

4.如权利要求1所述的增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：所述开关信号电路包括外部时钟信号输入电路、两路参考电压电路、两个高速比较器A和B、D触发器和开关器件，外部时钟信号输入电路与两个高速比较器A和B的正向输入端连接，两路参考电压电路分别与两个高速比较器A和B的反向输入端连接，高速比较器A和B的输出端连接至D触发器的输入端，D触发器的输出端连接至开关器件。

5.如权利要求4所述的增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：还包括容限保护电路，所述容限保护电路设置在外部时钟信号输入电路与两个高速比较器A和B的正向输入端之间。

6.如权利要求4所述的增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：所述开关器件采用MOS管Q2，MOS管Q2工作在开关状态下，当MOS管Q2的开关信号为高电平时，恒流源器件的电流流过MOS管Q2，当MOS管Q2的开关信号为低电平时，恒流源器件的电流流过半导体激光器种子源。

7.如权利要求1所述的增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：所述阴极偏置电路包括三极管Q4和运算放大器U4，所述三极管Q4工作在恒流区，构成一个基极电流控制的恒流源，所述运算放大器U4产生一个能够设定的偏置电压，使得半导体激光器种子源工作在临界状态，运算放大器U4的输出连接至半导体激光器种子源的阴极LASER-。

8.如权利要求1所述的增益开关半导体激光器种子源驱动电路，其特征在于：还包括阳极电压检测电路，所述阳极电压检测电路包括连接器J1和电阻R3，半导体激光器种子源的阳极LASER+经过电阻R3连接至连接器J1，在调试中，用来检测半导体激光器种子源阳极上的电压信号。

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